电控可变喷嘴涡轮增压天然气发动机试验研究

2004年代用燃料汽车国际学术会议（ICAFV’2004）

论文编号：0418

电控可变喷嘴涡轮增压天然气发动机试验研究

郝利君 王卫东 张付军 黄英

北京理工大学机械与车辆工程学院，北京，100081

摘要：将一台4G22E 汽油机改造为天然气发动机，采用电控多点燃气喷射技术、电控点火技术及可变喷嘴涡轮增压技术。试验结果表明，采用可变喷嘴涡轮增压技术可在较宽的转速范围内提高发动机的充气效率，优化增压器在全工况范围内与发动机的匹配，大幅度提高发动机的动力性与经济性。增压后天然气发动机的最大功率与原汽油机相当，低速转矩特性明显改善，同时发动机使用经济性也得到提高。

关键词：电子控制； 多点喷射； CNG 发动机；可变喷嘴涡轮增压

Experimental Study of Electronically Controlled CNG Engine with VNT

Hao Lijun Wang Weidong Zhang Fujun Huang Ying

School of Mechanical & Vehicular Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081

Abstract: A CNG engine was developed on the base of a 4G22E gasoline engine. On this CNG engine the electronically controlled multi-point gas injection system, high-energy ignition apparatus and VNT were adopted. The experimental results showed that VNT can increase the volumetric efficiency within a broad speed range, optimize the matching of the engine and turbocharger and improve the engine’s dynamic and economic performance. The maximum power output of the supercharged CNG engine is equivalent to that of the original gasoline engine, the torque characteristics at lower speed is improved, and the economic performance is also improved.

Key words: Electronic control ；Multi-point injection ；CNG Engine ；VNT

1 引言

推广使用天然气汽车是缓解石油危机、降低汽车有害物质排放及改善能源消费结构的有效措施。而汽车发动机改燃天然气后，发动机的最大功率和最大转矩都有所降低，与同排量的汽油机相比降低的幅度一般在15%左右，因而对汽车的加速性能和最高车速都有显著的影响。因此，采取切实可行的技术措施改善天然气发动机的燃烧过程、提高其性能指标是天然气发动机面临的主要问题。

本文将4G22E 汽油机改造为天然气发动机，通过合理匹配增压系统，并采用电控多点燃气顺序喷射技术及电控点火技术，优化了天然气发动机的燃烧过程，改善了发动机的动力性与经济性。 2 天然气发动机结构改装方案

2.1 天然气供气系统

488天然气发动机供气系统主要由高压气瓶、天然气气路关断电磁阀、减压阀、天然气喷射阀组成。系统的布置如图1所示。

图1 天然气供给系统

断电磁阀

阀

气瓶内储存的高压天然气（最高约20MPa ）经减压阀后压力降为0.5Mpa 左右，然后供入天然气分配气轨，在电控单元的控制下由天然气喷射阀喷入各缸进气歧管。为了保证减压阀不因气体减压产生“结冰”现象，在减压阀体内通入发动机循环水，保证减压阀维持一定的温度。系统中的天然气喷射阀选用了美国BKM 公司生产的SP021型高速伺服喷气阀。

2.2 可调涡轮增压系统

废气涡轮增压器采用可调的有叶喷嘴结构方案，如图2所示，通过改变喷嘴环叶片角度来改变蜗壳喷嘴出口面积，同时改变了进入叶轮气流进气角，对废气有较好的引导作用，因此在整个工作范围内有较好的效率特性。实验过程中通过改变喷嘴环叶片的出口角来控制增压器转速，在发动机低速时，通过关小喷嘴环减少涡轮流通截面积，使增压压力提高，从而改善发动机的低速特性；发动机高速时，喷嘴环逐渐打开，涡轮流通截面积增大，使增压压力相对减小，解决增压过量的问题

[1]

。控制可调涡轮增压器的执行机构采用步进电机。

图2 有叶喷嘴变截面涡轮示意图

2.3 电子控制系统

控制系统完成对天然气顺序喷射、点火正时及可调喷嘴涡轮增压器的优化控制。控制系统主要由传感器、控制单元（ECU ）和执行机构组成，系统主要组成如图3所示。

传感器包括发动机曲轴位置传感器、同步信号传感器、进气压力传感器等[2]。

曲轴位置传感器采用霍尔开关型元件，安装在发动机后端的飞轮壳体上，飞轮齿圈转动一周霍尔传感器产生58个信号，以此确定发动机的曲轴转角位置。

同步信号传感器也是霍尔开关型元件，位于分电器内，发动机每个工作循环产生4个信号，同步信号是ECU 控制发动机点火和喷射天然气的基准，同时ECU 利用它还可以计算出发动机的转速。

图3 控制系统的主要组成框图

进气压力传感器用于测量发动机进气管内的绝对压力，它与发动机转速信号一起间接测量发动机的进气量大小。作为控制发动机点火提前角和天然气喷射量的主要依据。

节气门位置传感器用来测量节气门的位置，指示发动机的怠速、满负荷、加、减速等工况。ECU 根据节气门信号分别按照不同工况下点火提前角、混合气浓度控制发动机的运行。

进气温度和冷却水温度传感器用于测量发动机的进气温度和冷却水温度，当各自温度变化时对发动机的天然气喷射量进行修正。

增压压力传感器用于测量压气机出口处增压空气的绝对压力，作为VNT反馈控制的闭环反馈信号。可变喷嘴环控制拉杆位移信号传感器用于检测涡轮喷嘴环的实际位置，作为前馈控制信号。VNT 控制方法采用以VNT控制杆位移为反馈信号的前馈控制，与以进气压力为反馈信号的闭环反馈控制相结合的方法。

控制系统的执行机构主要包括各缸的天然气喷射阀、用于驱动点火线圈的电子点火器、怠速控制电机以及控制可调涡轮增压器的步进电机等。

ECU以80C196微处理器为中心构成控制系统的核心，它接收到各种传感器的信号后，对发动机所处的工况和环境状况作出判断，并计算出与之相对应的最佳天然气喷射量、点火提前角及VNT 涡轮喷嘴叶片角度，驱动执行机构完成各项控制内容。

3发动机性能测试及分析

发动机性能试验包括三项内容：（1）原汽油机性能试验，测出原汽油机的动力性和经济性。（2）非增压天然气发动机试验，即将原汽油机改装为多点电控喷射天然气发动机后，测试该非增压天然气发动机的动力性和经济性。（3）电控可变喷嘴涡轮增压天然气发动机试验，改装非增压天然气发动机的进排气系统，加装可变喷嘴涡轮增压器，研究增压天然气发动机各主要控制参数包括空燃比及VNT控制规律，并测试该增压天然气发动机的动力性和经济性。

为改善非增压天然气发动机的动力性，混合气的空燃比确定为理论混合比，即过量空气系数为1。而增压天然气发动机，为兼顾发动机的动力性及热负荷过量空气系数确定在1.2左右。涡轮喷嘴环开度的调控目标确定为发动机外特性以最佳动力性为优化目标，而发动机部分负荷工况以经济性最佳为优化目标。实验过程中以最高排气温度和最高增压压力为约束条件，考虑涡轮增压器涡轮材料的耐温限制，最高排气温度限制在930℃以内，且考虑发动机的机械负荷和热负荷限制，最高增压比限定在1.8以内。

图4所示为VNT喷嘴环叶片调节控制的工况范围。由于CNG发动机为量调节方式，因此VNT 叶片开度调节规律与柴油机显著不同。CNG发动机在较大的工作区域内（通常是部分负荷），输出功率的控制通过节气门开度调节实现，而VNT叶片开度保持全开，以降低排气阻力，减小泵气损失，改善经济性。而当发动机动力输出达到较大负荷时，为了进一步提高输出转矩，需逐步减小VNT叶片开度以提高涡轮转速，进而提高增压压力，使输出转矩进一步增大，提高动力性。若从降低NOx 排放出发，考虑到VNT叶片开度减小，排气阻力增加，可使缸内残余废气系数增大，降低NOx排放。因此若以降低NOx排放为目标优化涡轮喷嘴环叶片开度，其控制规律与该图所示控制规律有所不同。

图5为原汽油机、非增压天然气发动机、增压天然气发动机的动力性及经济性对比。其中，(a)为三种发动机的转矩对比，(b)为三种发动机的功率对比，(c)为两种天然气发动机的天然气比消耗量对比。天然气的消耗量是根据空气流量和过量空气系数计算得出的。

从三种发动机的外特性转矩及功率对比可以看出，如果不采用增压技术，将原汽油机改装为天然气发动机，则发动机的功率大幅下降。这主要是由于单位体积天然气-空气混合气（λ=1）的热值比单位体积汽油-空气混合气（λ=1）的热值低，因而在发动机进气方式没有根本改变，即发动机缸内的充气系数变化不大的情况下，燃用天然气燃料时发动机的输出功率降低。而采用可调增压技术后的增压天然气发动机的低速转矩比原汽油机提高很多，且最大转矩点转速降低，在标定点增压天然气发动机与原汽油机转矩及功率相当。且与汽油机相比，增压天然气发动机的转矩适应性系数大